DE102005053767B4

DE102005053767B4 - MEMS-Mikrofon, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zum Einbau

Info

Publication number: DE102005053767B4
Application number: DE102005053767.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pahl
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: JP5054703B2; JP2009515443A; DE102005053767A1; WO2007054071A1; US8229139B2; US20080279407A1

Abstract

Mikrofon in miniaturisierter Bauweise, umfassend – ein flaches Trägersubstrat mit einer durch das Trägersubstrat hindurchreichenden Ausnehmung – einen auf einer ersten Oberfläche des Trägersubstrat angeordneten, die Ausnehmung zumindest zum Teil überdeckenden elektroakustischen Wandler – eine auf der, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche aufsitzende und mit dieser Oberfläche dicht abschließende Kappe, die die Ausnehmung überspannt, wobei die Kappe zumindest eine metallische Schicht zur elektromagnetischen Abschirmung aufweist und zwischen der Kappe und dem Trägersubstrat ein Hohlraum ausgebildet ist.

Description

Von mobilen Kommunikationsgeräten geht ein enormer Miniaturisierungsdruck auf deren elektronische Komponenten aus. In besonderer Weise gilt dies z. B. auch für Mikrofone, da diese eine relativ hohe Bauform aufweisen und damit Einschränkungen für das Gerätedesign mobiler Kommunikationsgeräte darstellen.
Aus der veröffentlichten amerikanischen Patentanmeldung US 2005/0185812 A1 ist ein Mikrofongehäuse bekannt, bei dem ein als MEMS-Bauelement ausgebildetes Mikrofon zusammen mit einem Halbleiterchip auf einer Basisplatte angeordnet und mit einer gemeinsamen Kappe gegen die Basisplatte abgedeckt ist. Die Basisplatte kann auf ihrer der Kappe entgegengesetzten Unterseite eine Schalleintrittsöffnung aufweisen, sodass das gesamte Bauelement auf der Leiterplattenrückseite aufgelötet werden kann, die der Schallquelle abgewandt ist. Dazu muss eine entsprechende Bohrung in der Leiterplatte vorgesehen sein. In einer weiteren Ausführung kann die Schalleintrittsöffnung in herkömmlicher Weise auf der Oberseite in der Kappe vorgesehen sein, sodass das Bauelement mit der Basisplatte auf die der Schallquelle zugewandten Oberfläche der Leiterplatte aufgebracht werden kann.
Aus der Veröffentlichungsschrift US 2005/0018864 A1 sind MEMS-Mikrofone bekannt, bei denen ein elektroakustischer Wandler an der Innenseite eines Hohlraums angeordnet ist und eine Schalleintrittsöffnung bedeckt.
Aus der US 5,146,435 A sind Mikrofone bekannt, bei denen eine kappenförmige Abdeckung eine Elektrode eines Kondensators bildet.
Aus der US 5,870,482 A sind elektroakustische Wandler-Chips bekannt, bei denen Strukturen, die die zwei Kondensatorplatten bilden, auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Bauform für miniaturisierte Mikrofone anzugeben, mit der die Gesamtbauhöhe von einer mit einem Mikrofon bestückten Leiterplatte reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrofon mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrofons gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Nachteilig an oben beschriebenen bekannten Mikrofonen ist, dass die Gesamthöhe des Bauelements nicht weiter reduziert werden kann, da die Höhe des MEMS-Chips die Gesamthöhe des Bauelements wesentlich bestimmt. Um dieses Problem zu lösen, wird nun ein Mikrofon vorgeschlagen, mit dem die Dicke der Leiterplatte ausgenutzt werden kann, um den höhenbestimmenden MEMS-Chip aufzunehmen. Dazu wird bei einem flachen Trägersubstrat, das eine durch das Trägersubstrat hindurch reichende Ausnehmung aufweist, auf einer ersten Oberfläche ein die Ausnehmung zumindest zum Teil überdeckender elektroakustischer Wandler angeordnet. Auf der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche sitzt eine die Ausnehmung überdeckende direkt auf dem Trägersubstrat aufsitzende und mit dessen Oberfläche dicht abschließende Kappe auf, die die Ausnehmung überspannt. Die Kappe weist zumindest eine metallische Schicht zur elektromagnetischen Abschirmung des elektroakustischen Wandlers auf.
Dieses Mikrofon ist zur Montage auf der der Schallquelle abgewandten Rückseite der Leiterplatte geeignet, wobei eine Bohrung in der Leiterplatte den elektroakustischen Wandler aufnehmen kann. Bei den herkömmlichen Dicken heute verwendeter Leiterplatten von circa 0,5 bis 1,2 Millimeter ist es dabei möglich, dass der elektroakustische Wandler, der insbesondere als MEMS-Bauelement ausgebildet ist, vollständig in der Bohrung der Leiterplatte eingebettet ist. Die über der Oberfläche der Leiterplatte gemessene Gesamthöhe des Mikrofons nach dem Einbau ist daher nur noch durch die Höhe der Kappe plus der Dicke des Trägersubstrats bestimmt. Diese kann im Bereich weniger Zehntel Millimeter liegen.
Der elektroakustische Wandler ist vorzugsweise ein auf einem Siliziumwafer aufgebautes MEMS-Bauelement. Zur elektroakustischen Wandlung sind alle bekannten Prinzipien geeignet, insbesondere kapazitiv und insbesondere auf dem piezoelektrischen Prinzip arbeitende Wandler. Derartige Bauelemente sind bekannt und zeichnen sich durch die gemeinsame Eigenschaft aus, dass die akustische Energie der Schallwelle eine Membran oder ein anderes bewegliches Teil zum Schwingen bringt, dessen Schwingungen über ein geeignetes Wandlerprinzip in elektrische Signale umgewandelt werden.
Das Trägersubstrat kann mit weiteren aktiven und/oder passiven elektrischen Bauelementen bestückt sein, die direkt mit der Mikrofonfunktion zusammenwirken können und direkt dem Mikrofon verschaltet sind. Solche Bauelemente können insbesondere Impedanzwandler beziehungsweise Verstärker sein, Tiefpassfilter, Signalprozessoren, Analog/Digital-Wandler oder ESD-Schutzbauelemente gegen elektrostatische Überladung. Vorteilhaft sind diese zusätzlichen elektrischen Bauelemente auf der dem elektrischen Wandler gegenüber liegenden Oberfläche des Trägersubstrats und insbesondere unter der Kappe angeordnet. Die Kappe überspannt des weiteren einen zwischen ihr und dem Trägersubstrat ausgebildeten Hohlraum, der als Rückvolumen und damit als Referenz für den elektroakustischen Wandler dienen kann.
Die Kappe kann vollständig aus Metall ausgebildet und auf dem Trägersubstrat aufgelötet oder aufgeklebt sein. Alternativ kann sie auch aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen, der mit einer metallischen Schicht beschichtet ist. Vorzugsweise aber nicht zwingend ist die metallische Beschichtung an der Außenseite der Kappe angebracht. Als nichtmetallisches Trägermaterial kann die Kappe eine Kunststoffschicht umfassen, beispielsweise eine Kunststofffolie, die auf einer Seite mit einer metallischen Schicht beschichtet ist.
Das Trägersubstrat weist vorzugsweise zumindest eine Metallisierungsebene auf, die zu entsprechenden elektrischen Anschlussflächen und elektrischen Verbindungsleitungen strukturiert sein kann. Zumindest auf der den elektroakustischen Wandler tragenden ersten Oberfläche sind mit dem elektroakustischen Wandler und vorzugsweise auch mit dem weiteren elektrischen Bauelement verbundene Kontakte angeordnet.
Die elektrische Verbindung zum auf der zweiten Oberfläche unter der Kappe angeordneten elektrischen Bauelement kann über in das Trägersubstrat integrierte Leitungen und insbesondere über Durchkontaktierungen erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, dass der vorzugsweise auf dem Siliziumwafer aufgebaute elektroakustische Wandler entsprechende Anschlüsse aufweist, die über eine Drahtkontaktierung mit den Anschlussflächen auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats verbunden sind. Das Bauelement kann dann auch durch die Ausnehmung im Trägersubstrat hindurch mittels Bonddrähten mit dem elektroakustischen Wandler verbunden sein. Das Bauelement kann jedoch auch über Bonddrähte mit entsprechenden Anschlussflächen auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats verbunden sein, die über Durchkontaktierungen durch das Trägersubstrat hindurch mit den entsprechenden Kontakten auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats verbunden sind. Möglich ist es jedoch auch, das Bauelement direkt mit den entsprechenden Kontakten auf der zweiten Oberfläche zu verbinden, beispielsweise in einer Flip-Chip-Anordnung. Die elektrische Verbindung kann über leitfähigen Kleber oder über eine Lötverbindung erfolgen. Ebenso kann der elektroakustische Wandler aufgeklebt und drahtgebondet sein oder auf entsprechende Kontaktflächen aufgelötet oder mittels leitfähigem Kleber aufgeklebt sein.
Das Trägersubstrat kann auch mehrschichtig sein und zumindest eine weitere Metallisierungsebene in seinem Inneren aufweisen. In dieser kann eine Verdrahtung beziehungsweise Verschaltung realisiert sein. Möglich ist es jedoch auch, durch geeignete Strukturierung der Metallisierungsebene passive Komponenten in einer oder mehreren Metallisierungsebenen zu realisieren, beispielsweise Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände. Entsprechend können diese passiven elektrischen Komponenten zu Verschaltungen verbunden sein, mit denen weitere elektrische Funktionen des Mikrofons oder mit diesem zusammenwirkende Bauelemente realisiert sind. Einzelne Metallisierungsebenen können durch Durchkontaktierungen verbunden sein. In ein Trägersubstrat aus organischen Laminaten können auch aktive Halbleiter-Bauelemente – ICs – eingebettet werden.
Der elektroakustische Wandler kann zur Wandlung zumindest eine mit Wandlerelektroden versehene piezoelektrische Schicht aufweisen. Die Wandlerelektroden können so ausgebildet, dass sie in der piezoelektrischen Schicht durch die akustische Energie erzeugte akustische Volumenwellen in elektrischen Signale verwandeln können. Vorzugsweise sind die Wandlerelektroden dann beidseitig der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Möglich ist jedoch auch eine einseitige Anordnung von einander beabstandeter Wandlerelektroden zur Wandlung von Volumenwellen sowie ein geeignet ausgebildeter Wandler zur Wandlung von akustischen Oberflächenwellen oder Scherwellen.
Die auf der zweiten Oberfläche aufsitzende Kappe stellt eine elektromagnetische Rückseitenschirmung des Mikrofons dar. Vorteilhaft ist es, auch die zur Schallquelle hinweisende Oberfläche des elektroakustischen Wandlers mit einer elektromagnetischen Schirmung zu versehen. Dazu kann auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats und auf Teilen des elektroakustischen Wandlers eine abschirmende Schicht aufgebracht werden. Die abschirmende Schicht auf dem elektroakustischen Wandler kann auf allen nicht zur Membran beziehungsweise zu dem die Schwingung aufnehmenden Teil des elektroakustischen Wandlers aufgebracht sein.
Alternativ ist es natürlich auch möglich, diese Schirmung auf der der Schallquelle zugewandten Oberfläche der Leiterplatte vorzusehen. In diesem Fall ist es sogar möglich, die zur Schallquelle gerichtete Öffnung der Leiterplattenbohrung mit einer für Schallwellen durchlässigen und insbesondere netzartig ausgebildeten Abschirmung zu überdecken, beispielsweise mit einem metallischen oder metallisch beschichteten Netz oder einer metallischen oder metallisch beschichteten löchrigen Folie oder einer metallisch beschichteten porösen Membran oder Platte.
Weitere elektroakustische Abschirmungen können im Inneren der Leiterplatte vorgesehen sein. So kann beispielsweise die Bohrung für den elektroakustischen Wandler in der Leiterplatte von innen leitfähig beschichtet sein. Möglich ist es auch, im Abstand zu der Bohrung aber diese umschließend eine Reihe von metallischen Strukturen innerhalb der Leiterplatte vorzusehen, beispielsweise einen Kranz von Durchkontaktierungen.
Vorzugsweise sind sämtliche zur elektromagnetischen Abschirmung vorgesehene Metallisierungen mit Erd- bzw. Massepotenzial verbunden, um elektrostatisch oder anderweitig erzeugte schädliche Spannungen und Ladungen sicher abzuleiten und dabei das Bauelement zu schützen und/oder elektromagnetische Störungen des gemessenen Signals zu verhindern.
Im Folgenden wird das Mikrofon sowie Verfahren zur Herstellung des Mikrofons anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass sich daraus weder absolute noch relative Größenangaben entnehmen lassen.
Es zeigen im Einzelnen:
1 ein Mikrofon mit einer metallischen Kappe,
2 ein Mikrofon mit einer metallbeschichteten Kappe und einem elektrischen Bauelement,
3 ein Mikrofon mit einem weiteren elektrischen Bauelement, das über Bonddrähte angeschlossen ist,
4 ein auf einer Leiterplatte montiertes Bauelement,
5 ein auf einer Leiterplatte montiertes Bauelement mit zusätzlicher Abschirmung über dem elektroakustischen Wandler,
6 Verfahrensstufen eines Verfahrens zum Herstellen eines verkapselten Mikrofons,
7 Verfahrensstufen eines Verfahrens zum Erzeugen einer zusätzlichen Abschirmung auf dem elektroakustischen Wandler, und
8 ein Mikrofon mit zwei elektroakustischen Wandlern auf einem gemeinsamen Trägersubstrat.
1 zeigt ein einfaches erfindungsgemäßes Mikrofon im schematischen Querschnitt. Das System ist auf einem Trägersubstrat TS aufgebracht, der aus einem organischen oder keramischen Material und insbesondere aus einem Laminat mit zumindest einer Metallisierungsebene, vorzugsweise aber mit mehreren zwischen elektrisch isolierenden Materialschichten eingebetteten Metallisierungsebenen aufgebaut ist. In diesen strukturierten Metallisierungsebenen können aktive und passive Komponenten realisiert sein, was insbesondere bei keramischen Laminaten aus HTCC oder LTCC von Vorteil ist. Für das Trägersubstrat TS sind weiterhin auch Glas oder Silizium geeignet. Bevorzugte Dicken liegen zwischen 0,1 und 0,5 Millimeter. Größere Schichtdicken sind natürlich möglich, erhöhen jedoch die Kosten und stehen der weiteren Miniaturisierung der Bauelemente beziehungsweise des Mikrofons entgegen.
Im Trägersubstrat wird eine Ausnehmung AN vorgesehen. Auf der ersten Oberfläche wird ein elektroakustischer Wandler WA so angeordnet, dass er die Ausnehmung vollständig überdeckt. Der elektroakustische Wandler WA ist insbesondere ein MEMS-Bauelement (micro electro mechanical system), welches ein mit mikromechanischen Methoden vorzugsweise auf einem einkristallinen Material wie beispielsweise Silizium hergestellter Sensor ist, der nach einem kapazitiven oder piezoelektrischen Wirkungsprinzip arbeitet. In einem kristallinen Substratmaterial kann durch anisotrope Ätzung des Substrats der Wandler eine sich nach innen verjüngende Öffnung aufweisen, an deren Boden eine Membran beziehungsweise eine entsprechend ausgestaltete Zunge angeordnet ist, die von der akustischen Energie zum Schwingen gebracht wird. Auf der zweiten Oberfläche sitzt eine die Ausnehmung ebenfalls abdeckende Kappe K auf, die rundum gut und insbesondere hermetisch mit der Oberfläche des Trägersubstrats TS abschließen kann. Es können jedoch auch gezielt Undichtigkeiten zum langsamen Druckausgleich mit dem Umgebungsdruck vorgesehen werden. Auf diese Weise ist ein abgeschlossenes Rückseitenvolumen RV geschaffen, welches dem elektroakustischen Wandler als Referenz dient.
Die Kappe kann einen runden, eckigen oder beliebig gestalteten anderen Querschnitt aufweisen und umfasst zumindest eine Metallschicht oder ist vollständig aus Metall ausgebildet.
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Mikrofons, bei der unter der Kappe auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats TS zusätzlich ein Halbleiterbauelement HLB angeordnet ist. Darüber hinaus ist hier eine mögliche Modifikation der Kappe K gezeigt, die aus einer Kunststofffolie KF, insbesondere einer Laminatfolie und einer darüber aufgebrachten Metallschicht MS besteht. Vorzugsweise ist die Kunststofffolie KF so strukturiert, dass die flächenmäßig größere Metallschicht MS die Kunststofffolie vollständig überlappt und rundum die Kunststofffolie KF bündig mit der Oberfläche des Trägersubstrats TS abschließt. Zumindest aber ist die Metallschicht an mindestens einer Stelle mit Massepotential verbunden, das auf dem Trägersubstrat an dort befindlichen Metallisierungsstrukturen anliegt.
Außerdem sind in 2 auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats lötfähige Kontakte LK dargestellt, die in geeigneter Weise sowohl mit dem elektroakustischen Wandler WA als auch mit dem Halbleiterbauelement HLB verbunden sind. Die Verbindung kann über Leiterbahnen erfolgen, die auf der Oberfläche aufgebracht sind. Möglich sind auch Verbindungen, die durch das Trägersubstrat hindurchführen.
Nicht dargestellt sind weitere Ausgestaltungen, bei denen mehrere gegebenenfalls auch unterschiedliche Halbleiterbauelemente oder passive Komponenten auf der zweiten Oberfläche unterhalb der Kappe K angeordnet und mit dem elektroakustischen Wandler WA verschaltet sind. Besonders bevorzugt bilden das oder die Halbleiterbauelemente zusammen mit dem elektroakustischen Wandler WA, der dann beispielsweise als Resonator auf der Basis eines Oberflächenwellenbauelements oder als BAW-Resonator ausgebildet ist, eine Oszillatorschaltung. Weiter können im Trägersubstrat oder in Form eines Bauelements auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrat Maßnahmen realisiert sein, die zur Temperaturkondensation des elektroakustischen Wandlers dienen und dessen Temperaturgang durch aktive Regelung oder passiv durch geeignete Kompensationsmittel kompensieren.
3 zeigt eine weitere Ausführung des Mikrofons, bei der sowohl Halbleiterbauelement HLB als auch elektroakustischer Wandler WA, oder zumindest eines dieser beiden mittels einer Klebeschicht KS auf dem Trägersubstrat TS befestigt ist. Die elektrische Verbindung kann wie dargestellt zum. Beispiel über Bonddrähte BD erfolgen, wobei ein durch die Ausnehmung AN im Trägersubstrat TS geführter Bonddraht Halbleiterbauelement HLB und elektroakustischen Wandler elektrisch miteinander verbinden kann. Möglich ist es jedoch auch, dass zumindest eine der elektrischen Verbindungen zu einer auf der Oberfläche des Trägersubstrats TS aufgebrachten Metallisierung über eine elektrisch leitfähig eingestellte Klebeschicht KS erfolgt. Besonders bevorzugt sind in diesem Fall anisotrop leitende Kleber, die eine Leitfähigkeit ausschließlich in Z-Richtung, also senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats aufweisen.
4 zeigt im schematischen Querschnitt, wie ein Mikrofon in einer die gesamte Bauhöhe reduzierenden Weise auf einer Leiterplatte LP befestigt werden kann. Dazu wird in der Leiterplatte LP, die eine ein- oder mehrschichtige Platte mit einer oder mehreren Metallisierungsebenen ist, eine Öffnung OE vorgesehen, die ausreichend dimensioniert ist, um den elektroakustischen Wandler WA darin aufzunehmen. Das Trägersubstrat wird dann mit der ersten Oberfläche so auf die Leiterplatte aufgelegt und dort befestigt, dass der elektroakustische Wandler WA in die Öffnung OE hineinragt. Bei herkömmlichen Dicken für Leiterplatte und elektroakustischen Wandler ist es möglich, dass der Wandler WA vollständig in der Öffnung OE verborgen ist und nicht auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Leiterplatte übersteht. Die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten des Trägersubstrats und der Leiterplatte kann wiederum durch elektrisch leitfähigen Kleber oder durch Löten erfolgen. Mit der in der Figur nur schematisch dargestellten Anordnung wird ein Mikrofon erhalten, das von der zweiten Oberfläche her elektromagnetisch gegen äußere Felder abgeschirmt ist und daher einen davon ungestörten Betrieb aufweist.
5 zeigt weitere Ausgestaltungen des Mikrofons nach dem Einbau in eine Leiterplatte LP, mit denen ein sicherer Betrieb und eine weitere Abschirmung des Bauelements von der gegenüberliegenden Seite ermöglicht wird. Dazu kann beispielsweise der Zwischenraum zwischen Wandler WA und Innenseite der Öffnung OE mit einem Dichtmaterial DM aufgefüllt sein, beispielsweise mit einem ausgehärteten Reaktionsharz. Auf der dem Trägersubstrat TS gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte. LP kann die Öffnung OE mit einer porösen Schicht, einem Netz oder Geflecht abgedeckt sein, die jeweils auf der Oberfläche metallisiert sind oder vollständig aus einem metallischen Material bestehen. In der Figur nicht dargestellt sind weitere Metallisierungen, die auf der gleichen Oberfläche wie die poröse Schicht PS auf die Oberfläche der Leiterplatte LP aufgebracht sind. Vorzugsweise sind sämtliche abschirmenden Schichten geerdet.
Alternativ oder zusätzlich kann der elektroakustische Wandler WA auf seiner in der 5 nach unten weisenden Oberfläche mit einer weiteren abschirmenden Schicht AS (siehe 7) versehen sein. Zusätzlich können die Innenwände der Öffnung OE ebenfalls metallisiert sein. Weiterhin ist es möglich, innerhalb der Leiterplatte um die Öffnung herum ein abschirmendes und die Öffnung umschließendes Gitter aus Durchkontaktierungen vorzusehen.
6 zeigt anhand schematischer Querschnitte verschiedene mögliche Verfahrensstufen gemäß einer Variante zur Herstellung eines Mikrofons. Dabei wird von dem bereits beschriebenen Trägersubstrat TS ausgegangen. Dieses kann ein- oder mehrschichtig sein und weist zumindest eine Metallisierungsebene auf, die Leiterbahn und daraus hergestellte Verschaltungen umfasst. Auf einer ersten Oberfläche (in der Figur unten dargestellt) sind lötfähige Kontakte LK erzeugt, die mit entsprechenden Leiterbahnen auf der Oberfläche des Trägersubstrats TS verbunden sind. Auf der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche ist ein Halbleiterbauelement HLB angeordnet und vorzugsweise ebenfalls mit Leiterbahn kontaktiert. Dies kann wie bereits beschrieben über einen Flip-Chip-Kontakt oder einen Bonddraht (in der Figur nicht dargestellt) erfolgen. Vorteilhaft kann der Flip-Chip-Kontakt mit einem anisotrop leitfähigen Kleber hergestellt werden, der nur vertikal zur Klebstoffschicht Leitfähigkeit aufweist. Damit lassen sich mit einer einzigen Klebstoffschicht parallel mehrere elektrische Verbindungen herstellen, ohne diese durch die Klebstoffschicht kurzzuschließen. 6a zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt wird auf der zweiten Oberfläche über dem Halbleiterbauelement eine Opferschicht OS aufgebracht, die aus einem geeigneten, mit einem schonenden Verfahren wieder auflösbaren Material besteht, beispielsweise einer Paste oder einem organischen Material und insbesondere aus einem Resistfilm. Die Opferschicht OS kann dabei direkt strukturiert aufgebracht werden, beispielsweise in Druckverfahren, wofür Pasten oder entsprechend viskose Kunststoffmassen geeignet sind. Möglich ist es jedoch auch, die Opferschicht großflächig aufzutragen und erst anschließend zu strukturieren.
Wird für die Opferschicht OS ein Fotoresist und insbesondere eine Trockenresistfolie verwendet, die zum Beispiel auflaminiert werden kann, so kann die Strukturierung in einfacher Weise fotolithografisch durch Belichtung und Entwicklung des Fotoresists erfolgen. Die Strukturierung erfolgt so, dass das Volumen der Opferschicht dem späteren von der abdeckenden Kappe eingeschlossen Rückvolumen entspricht. 6b zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt wird eine erste Schicht einer mehrschichtigen Kappe erzeugt, beispielsweise eine Kunststofffolie KF. Vorzugsweise wird diese in einem plastisch verformbaren Zustand z. B. durch Laminieren oder Foliengießen aufgebracht und anschließend gehärtet. Das Auflaminieren kann durch erhöhte Temperatur sowie einen mechanischen Druck von der Oberseite beziehungsweise ein Vakuum von der Unterseite her unterstützt werden. Die Kunststofffolie kann beispielsweise eine Dicke. von etwa 20 μm aufweisen. Folien solch geringer Dicke lassen sich noch gut verarbeiten und erzeugen eine dichte Oberfläche, die später metallisiert werden kann. Höhere Schichtdicken sind natürlich ebenfalls möglich, jedoch nicht erforderlich.
Im nächsten Schritt wird gemäß 6d eine Metallschicht MS über der Kunststofffolie KF erzeugt. Dies erfolgt vorzugsweise in einem zweistufigen Prozess, wobei zunächst eine Grundmetallisierung beziehungsweise eine geeignete Haftschicht aufgesputtert und anschließend verstärkt wird. Als Grund- oder Haftschicht eignen sich insbesondere eines oder mehrere der Metalle Titan, Nickel, Chrom, Wolfram und Kupfer. Die Verstärkung gelingt vorzugsweise galvanisch oder stromlos mittels Kupfer oder Nickel. Eine Gold- oder Nickelschicht kann zusätzlich als Vergütungsschicht vorgesehen sein. In einer Variante der Verfahrens kann auf die Kunststofffolie auch verzichtet werden, sofern die Opferschicht OS metallisierbar ist, so dass die Metallschicht direkt auf der Opferschicht aufgebracht werden kann.
Eine geeignete Enddicke, die als gute Abschirmung für das Mikrofon geeignet ist, liegt zwischen 10 und 100 μm. Höhere Schichtdicken sind natürlich ebenfalls möglich, für den gewünschten Zweck der Abschirmung jedoch nicht erforderlich.
Die Metallschicht wird so aufgebracht, dass sie mit der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats TS abschließt. Dadurch wird – falls erforderlich – eine hermetische Abdichtung zum Trägersubstrat möglich. Die Strukturierung der Metallschicht kann dabei bereits nach der Erzeugung der Grund- oder Haftmetallisierung erfolgen. Möglich ist es auch, unter der Metallisierung eine Lift-Off-Schicht aufzubringen und nach der Metallisierung beziehungsweise der Herstellung der Metallschicht MS in einem Lift-Off-Prozess samt der darüber liegenden Metallschicht wieder zu entfernen.
Die so erzeugte und aus Kunststofffolie und Metallschicht bestehende Kappe liegt allseitig auf der strukturierten Opferschicht OS auf, die nun entfernt wird. Dazu kann auf dieser Verfahrensstufe eine Ausnehmung AN im Trägersubstrat TS erzeugt werden, durch die hindurch die Opferschicht von der ersten Oberfläche her zugänglich ist. 6e zeigt die Anordnung nach der Herstellung der Ausnehmung.
Möglich ist es jedoch auch, die Ausnehmung bereits in einem früheren Verfahrensstadium zu erzeugen, beispielsweise vor dem Aufbringen des Halbleiterbauelements HLB und auf jeden Fall vor dem Aufbringen der Opferschicht OS. Dies wird möglich, wenn die Opferschicht die Ausnehmung überspannen kann, was insbesondere bei einer Trockenresistfolie als Opferschicht möglich ist.
Die Ausnehmung kann je nach Material des Trägersubstrats durch Bohren, Fräsen, Ätzen, Laserstrahlen, Sandstrahlen, Stanzen oder auch Ultraschallerodieren erzeugt werden. Das Entfernen der Opferschicht durch die Ausnehmung hindurch kann vorzugsweise mit einem Lösungsmittel erfolgen, beispielsweise einem organischen Lösungsmittel für eine organische Opferschicht beziehungsweise einem wässrigen Lösungsmittel für eine Paste. Das Auflösen der Opferschicht kann außerdem mit Ultraschall unterstützt werden.
Abschließend wird der elektroakustische Wandler auf der ersten Oberfläche über der Ausnehmung aufgebracht und elektrisch mit den Leiterbahnen auf dem Trägersubstrat verbunden. Die elektrische Verbindung kann mit leitfähigem Kleber und insbesondere mit anisotrop leitfähigem Kleber erfolgen. Möglich sind auch andere Flip-Chip-Verfahren mittels einer Bump-Technik, in diesem Fall werden anschließend an die Kontaktierung etwaiger Lücken zwischen dem Wandler und dem Trägersubstrat mit einem geeigneten Material insbesondere mit Underfiller abgedichtet. Der elektroakustische Wandler wird vorzugsweise mit derjenigen Seite, die den Dünnschichtaufbau mit den MEMS-Strukturen trägt, auf das Trägersubstrat aufgebracht. Möglich ist es jedoch auch, den Wandler mit der Trägerseite, insbesondere mit dem Siliziumchip auf das Trägersubstrat aufzubringen, sofern es etwa über Durchkontaktierungen verfügt.
6f zeigt das fertige Mikrofon, bei dem zwischen der Kappe, dem Trägersubstrat und dem die Ausnehmung abdichtenden elektroakustischen Wandler WA ein Rückseitenvolumen RV eingeschlossen ist, welches als Referenzdruck für den elektroakustischen Wandler dient.
7 zeigt eine Möglichkeit, eine Vielzahl elektroakustischer Wandler im Nutzen zu metallisieren und dabei die Schalleintrittsöffnung und insbesondere die Membran des Wandlers in einfacher Weise zu schützen beziehungsweise von der Metallisierung auszusparen. Dazu wird eine entsprechende Anzahl elektroakustischen Wandler WA auf einem Trägersubstrat oder einem Hilfsträger im Nutzen montiert, wie zum Beispiel in 7a dargestellt.
Anschließend werden in die nur schematisch dargestellten zur Membran führenden Öffnungen des Wandlers kleine Kugeln passenden Durchmessers eingelegt. Der Durchmesser ist so abgestimmt, dass er am elektroakustischen Wandler eine ausreichende Abschattung erzeugen kann. Geeignete Kugel-Durchmesser können beispielsweise zwischen 0,5 und zwei Millimeter liegen, wobei die Kugeln vorzugsweise Glaskugeln sind. In einfacher Weise können diese auch in die rückseitige Öffnung der elektroakustischen Wandler eingerüttelt werden. Überschüssige Kugeln lassen sich einfach entfernen, da sie nicht in der Wandleröffnung fixiert sind. 7b zeigt die Wandler mit den in ihren Öffnungen angeordneten Glaskugeln GK.
Im nächsten Schritt wird eine Metallisierung in Form einer abschirmenden Schicht AS vorzugsweise anisotrop vertikal zur Oberfläche in einer gewünschten Schichtdicke aufgebracht. Die Abdeckschicht AS kann durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht werden.
Wird die Abschirmschicht AS direkt auf die noch im Nutzen über das gemeinsame Trägersubstrat TS zusammenhängenden fertigen Mikrofone aufgebracht, so kann es erforderlich sein, vorher noch elektrische Anschlüsse vor der großflächig aufgebrachten Abschirmschicht zu schützen und beispielsweise abzudecken. Dazu kann bei der Metallisierung eine Schablone verwendet werden, die auf das Trägersubstrat aufgelegt wird.
Wenn die Abschirmschicht in einem ausreichend anisotropen Verfahren aufgebracht wird, bleiben unterhalb des Kugeläquators liegende Bereiche von der Abschirmschicht frei, sodass keine Verbindung zwischen der Abschirmschicht auf der Kugeloberfläche und der auf der Oberfläche des elektroakustischen Wandlers entsteht. Daher lassen sich die Kugeln nach dem Erzeugen der Abschirmschicht in einfacher Weise entfernen. 7d zeigt die Anordnung mit den an den gewünschten Stellen metallisierten elektroakustischen Wandlern.
In 8 ist eine weitere Ausgestaltung eines Mikrofons dargestellt, welches zwei oder mehr elektroakustische Wandler in einem Bauelement aufweist. Diese sind jeweils über einer eigenen Ausnehmung in der Trägerplatte erzeugt. Die Ausnehmungen können auf der zweiten Oberfläche mit einer gemeinsamen Kappe K abgedeckt sein. Dabei ist es vorteilhaft, das Rückseitenvolumen RV zu unterteilen, sodass für jeden Wandler WA ein eigenes Rückseitenvolumen zur Verfügung steht. Die Aufteilung kann wie in 8 dargestellt auch mit dem Halbleiterbauelement HLB erfolgen. Dazu wird die Opferschicht OS so strukturiert, dass sie nicht über die Oberkante des Halbleiterbauelements übersteht. Bei der Verwendung mehrerer Wandler kann es auch erforderlich sein, mehrere Halbleiterbauelemente vorzusehen, von denen in der 8 der Übersichtlichkeit halber nur eines dargestellt ist. Möglich ist es jedoch auch, ein Mikrofon mit einer Mehrzahl von Wandlern vorzusehen, wobei auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats im Bereich jedes einzelnen Wandlers WA eine eigene Kappe aufgebracht ist, die über der Ausnehmung ein eigenes Rückseitenvolumen schafft.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und erlaubt eine Reihe möglicher Abwandlungen, die im einzelnen hier nicht beschrieben werden können. Gleiches betrifft das Herstellverfahren, für das nur vorteilhafte Ausführungen vorgeschlagen wurden. So ist insbesondere die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte meist beliebig austauschbar, sofern sie sich nicht gegenseitig bedingen.
Bezugszeichenliste

WA

elektroakustischer Wandler/MEMS Bauelement

TS

Trägersubstrat

AN

Ausnehmung

K

Kappe

HLB

Halbleiterbauelement

KF

Kunststofffolie

MS

Metallschicht

LK

lötfähige Kontakte auf erster Oberfläche

KS

Kleberschicht

DK

Durchkontaktierungen

AS

abschirmende Schicht auf erster Oberfläche

OS

Opferschicht

LK

leitfähiger Kleber

GK

Kugeln aus Glas

LP

Leiterplatte

OE

Öffnung oder Bohrung in Leiterplatte

DM

Dichtmaterial in Fugen zwischen MEMS und Bohrung

RV

Rückseitenvolumen

BD

Bonddraht

PS

poröse Schicht

Claims

Mikrofon in miniaturisierter Bauweise, umfassend – ein flaches Trägersubstrat mit einer durch das Trägersubstrat hindurchreichenden Ausnehmung – einen auf einer ersten Oberfläche des Trägersubstrat angeordneten, die Ausnehmung zumindest zum Teil überdeckenden elektroakustischen Wandler – eine auf der, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche aufsitzende und mit dieser Oberfläche dicht abschließende Kappe, die die Ausnehmung überspannt, wobei die Kappe zumindest eine metallische Schicht zur elektromagnetischen Abschirmung aufweist und zwischen der Kappe und dem Trägersubstrat ein Hohlraum ausgebildet ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, bei dem der elektroakustischen Wandler ein auf einem Siliziumwafer aufgebautes MEMS Bauelement ist.
Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kappe mehrschichtig aufgebaut ist, wobei die metallische Schicht die äußerste Schicht ist.
Mikrofon nach Anspruch 3, bei dem die innerste Schicht der Kappe eine Kunststofffolie ist.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats lötfähige Kontakte angeordnet sind, die elektrisch mit den Anschlüssen des elektroakustischen Wandlers und/oder weiteren integrierten Bauelementen verbunden sind.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats im Hohlraum unter der Kappe zumindest ein elektrisches Bauelement angeordnet ist, das elektrisch mit dem elektroakustischen Wandler verschaltet ist und das ausgewählt ist aus Impedanzwandler, Verstärker, Tiefpass, Signalprozessor, A/D Wandler und Schutzbauelement.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Trägersubstrat zumindest eine Metallisierungsebene aufweist, in der elektrische Anschlussleitungen verlaufen.
Mikrofon nach Anspruch 7, bei dem das Trägersubstrat mehrschichtig ist und zumindest eine weitere Metallisierungsebene in seinem Inneren aufweist, wobei die Metallisierungsebenen durch dazwischen angeordnete elektrisch isolierenden Schichten getrennt sind und die Verbindung zwischen den eine Verschaltung bildenden Metallisierungsebenen über Durchkontaktierungen erfolgt.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der elektroakustische Wandler zumindest eine mit Wandlerelektroden versehene piezoelektrische Schicht zur elektroakustischen Wandlung der Schallsignale aufweist.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats und auf Teilen des elektroakustischen Wandlers eine Metall umfassende abschirmende Schicht aufgebracht ist.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats ein zweiter elektroakustischen Wandler über einer zweiten Ausnehmung angeordnet ist.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der elektroakustische Wandler einen aus kristallinem Silizium bestehenden Körper aufweist, der auf seiner vom Trägersubstrat entfernten Oberfläche eine Schalleintrittsöffnung aufweist, die mit einer porösen metallisierten Membran verschlossen ist.
Verfahren zur Herstellung eines verkapselten Mikrofons, A: bei dem auf einer zweiten Oberfläche eines Trägersubstrats eine Opferschicht aufgebracht und strukturiert wird, B: bei dem über der strukturierten Opferschicht und dem Trägersubstrat zumindest eine Verkapselungsschicht erzeugt wird, die um die Opferschicht herum dicht mit dem Trägersubstrat abschließt, C: bei dem von der gegenüberliegenden ersten Oberfläche aus eine durch das Trägersubstrat bis zur Opferschicht reichende Ausnehmung erzeugt wird, D: bei dem die Opferschicht durch die Ausnehmung hindurch entfernt oder aufgelöst. wird, so dass eine freitragende durch die zumindest eine Verkapselungsschicht gebildete freitragende Kappe verbleibt, E: bei dem über der Ausnehmung ein elektroakustischer Wandler angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem im Verfahrensschritt A als Opferschicht eine Resistschicht verwendet wird, die direkt photostrukturiert und im Verfahrensschritt D mittels eines Lösungsmittels aufgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem vor dem Aufbringen der Opferschicht zumindest ein elektrisches Bauelement auf der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats aufgebracht wird, das nach Verfahrensschritt D unter der Kappe angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem im Verfahrensschritt B als Verkapselungsschicht zumindest eine metallische Schicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem direkt auf die Opferschicht eine Kunststofffolie aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem zum Aufbringen der metallischen Schicht auf die Opferschicht oder auf die darüber angeordnete Kunststofffolie eine Grundmetallisierung aufgedampft oder aufgesputtert und anschließend in einem galvanischen oder stromlosen Abscheideverfahren aus einer Lösung verstärkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem alle Verfahrensschritte im Nutzen durchgeführt werden, wobei auf einem großflächigen Trägersubstrat eine Anordnung mehrerer Kappen erzeugt und eine entsprechende Anzahl elektroakustischer Wandler auf der gegenüberliegenden Oberfläche aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem im Verfahrensschritt E der elektroakustische Wandler aufgelötet oder mit einem leitfähigen Kleber aufgeklebt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, bei dem nach Verfahrensschritt E auf die erste Oberfläche des Trägersubstrats Metall aufgedampft oder aufgesputtert wird, wobei zumindest die Schalleintrittsöffnung des elektroakustischen Wandlers abgedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Abdeckung der Schalleintrittsöffnung durch Einlegen oder durch Einrütteln im Nutzen von an die Größe der Schalleintrittsöffnung angepassten Kugeln aus Glas oder einem anderen Dielektrikum erfolgt.
Verfahren zum Einbau eines Mikrofons nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in eine Leiterplatte, – bei dem in der Leiterplatte eine den elektroakustischen Wandler aufnehmende Öffnung vorgesehen wird, – bei dem das mit der Kappe und dem elektroakustischen Wandler versehene Trägersubstrat so auf die Leiterplatte aufgelötet oder aufgeklebt wird, dass der Wandler in die Öffnung hineinragt und dass dabei die lötfähigen Kontakte des Mikrofons auf der ersten Oberfläche des Trägersubstrats elektrisch mit entsprechenden Kontakten auf der Unterseite der Leiterplatte verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Öffnung in der Leiterplatte innen metallisch kaschiert ist.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem der Spalt zwischen Wandler und Innenwand der Öffnung mit einem Dichtmaterial verschlossen wird.